电工学课件第7章_磁路与变压器

电工技术（电工学电工技术（电工学I I）第七章 磁路与变压器 江苏大学电气信息工程学电气信息工程学院院 School of electric and School of electric and informationinformation，UJSUJS 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器7.1 磁路中的基本物理量磁路中的基本物理量 7.2 铁磁材料铁磁材料 7.3 磁路的基本定律磁路的基本定律 7.4 铁心线圈铁心线圈 7.5 变压器变压器 *7.6 电磁铁电磁铁 内内 容容 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器交流铁心线圈的电磁关系交流铁心线圈的电磁关系 磁路的基本定律磁路的基本定律 变压器的工作原理和变压器的工作原理和功能功能变压器的额定值及损耗和效率变压器的额定值及损耗和效率绕组的极性绕组的极性 重重点点 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器7.1 7.1 磁路中的基本物理量磁路中的基本物理量磁通磁通磁感应磁感应强度强度B磁场强磁场强度度H导磁系数导磁系数磁 路基本物理量 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁磁 通通 垂直穿过某一面积S 的磁感线的总根数单位：韦伯Wb磁感应强度磁感应强度B B 磁感应强度是表征磁场中某一点磁场强弱和方向的一个物理量，用矢量B B表示。通常用垂直于该处单位面积上的磁力线的疏密来反映磁感应强度的大小。特斯拉(T)S 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁场强度磁场强度H H 磁场强度用矢量H表示，方向与磁感应强度B相同。H代表电流本身在真空中所产生的磁场的强弱，其大小只与产生该磁场的电流大小成正比，与介质的性质无关。安/米(Am)江苏大学电工电子教研室磁路与变压器导磁系数导磁系数磁导率是衡量物质导磁能力的物理量 物质 导磁性能 真空磁导率：非磁性物质磁性物质 单位：亨利/米(H/m)江苏大学电工电子教研室磁路与变压器7.2 7.2 铁铁 磁磁 材材 料料(1)(1)高导磁性高导磁性(2)(2)磁饱和性磁饱和性磁性材料主要指铁、镍、钴及其合金等。通常，磁性材料的磁导率 ，其比值可高达数百、数千甚至数万，这是由它们的内部结构决定的。磁性物质的磁化曲线(即：B-H曲线)由实验方法测得，如图所示。一、铁磁材料的特性一、铁磁材料的特性 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 磁化曲线反映了铁磁物质的磁导率不是常数。磁饱和现象的存在使得磁路分析问题成为非线性问题，因此，磁路分析要比电路分析复杂得多。HBOabcd图 初始磁化曲线(B-H曲线)B-H 磁化曲线的特征：Oa段:B随H的增加比较缓慢；ab段:B与H几乎成正比地增加；bc段:B的增加缓慢下来；cd段:B随H增加很少，达到磁饱和。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 磁化曲线：就是磁感应强度B与磁场强度H的关系曲线，是进行磁路计算不可缺乏的资料，它由实验方法获得。几种常见磁性物质的磁化曲线几种常见磁性物质的磁化曲线几种常见磁性物质的磁化曲线几种常见磁性物质的磁化曲线a a 铸铁铸铁 b b 铸钢铸钢 c c 硅钢硅钢片片O O0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9H/(A/m)B/T1.81.81.61.61.41.41.21.21.01.00.80.80.60.60.40.40.20.2b ba ac c 下面给出三种常用铁磁材料的B-H曲线 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器(3)(3)磁滞性磁滞性剩磁矫顽力 磁滞现象磁滞现象：当铁心线圈中通入交流电时，随着与电流成正比的磁场强度H的交变，磁感应强度B将沿着图示闭合曲线变化。这种磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化的现象称为。磁性物质不同，其磁滞回线和磁化曲线也不同。注注：图中箭头表示反复磁化的过程磁滞回线 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器二、铁磁材料的分类二、铁磁材料的分类铁磁材料铁磁材料软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料矩磁材料矩磁材料特点易磁化易退磁较小矫顽力 磁滞回线窄电机、变压器、继电器、电表的铁心磁滞回线较宽较大矫顽力 剩磁很大永久磁铁较小矫顽力 较大剩磁 磁滞回线矩形稳定性好记忆元件、开关元件 逻辑元件 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器7.3 7.3 磁路的基本定律磁路的基本定律一、磁路一、磁路 定义：绕在铁心上的线圈通以较小的电流（励磁电流），便能得到较强的磁场，磁通的绝大部分通过铁心构成回路，这种磁通的路径称为磁路。S Sr rHHI IN N匝匝匝匝 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器二、磁路的安培环路定律二、磁路的安培环路定律(全电流定律)基本内容：磁场中，磁场强度H沿任意闭合路径的线积分等于该闭合路径所包围电流的代数和，即 规定：当电流的方向与闭合路径绕向之间符合右螺旋定则时，电流取正号，反之取负号。（定量）I1I2I3 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器I IN N匝匝匝匝S Sr rHH若：某环形线圈如图，故：磁动势磁压降 此式可理解为：沿磁路一周，各段磁路磁压降的代数和等于与中心环路交链的磁动势的代数和。其中媒质是均匀的,则根据安培环路定律 若：沿积分路径可将磁路分成n段，且每段中磁场强度H的大小不变，则定律表示为 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三、磁路的欧姆三、磁路的欧姆定律定律磁 阻磁动势 磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律：（定性）由励磁电流在磁路中产生的磁通量，与磁动势F成正比，与磁路的磁阻成反比。不是常数 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器表表 磁路和电路的比较磁路和电路的比较磁路磁路电路电路典型结构典型结构对应的物理量对应的物理量 磁动势磁动势 电动势电动势 磁压降磁压降 电电 压压 磁磁 通通 电电 流流 磁磁 阻阻 电电 阻阻 磁导率磁导率 电导率电导率INR+_EIU(待续)江苏大学电工电子教研室磁路与变压器(续上页)磁路磁路电路电路对对应应的的关关系系式式磁阻磁阻电阻电阻磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律电路的欧姆定律电路的欧姆定律磁路的基尔霍夫定律磁路的基尔霍夫定律电路的基尔霍夫定律电路的基尔霍夫定律表表 磁路和电路的比较磁路和电路的比较 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器磁路计算举例磁路计算举例一般已知磁通量，求磁动势，分析步骤一般已知磁通量，求磁动势，分析步骤如下：如下：1.计算各段磁路的磁感应强度，磁通是闭合的。计算各段磁路的磁感应强度，磁通是闭合的。2.计算各段磁场强度，空气隙根据公式计算，铁磁性计算各段磁场强度，空气隙根据公式计算，铁磁性 物质查磁化曲线。物质查磁化曲线。3.计算总磁压降，即磁动势。计算总磁压降，即磁动势。4.根据根据F=IN计算出励磁电流。计算出励磁电流。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器例例：如图所示线圈为直流铁心线圈，其铁心由铸钢制成。铁心尺寸为：S1=20cm2，l1=45cm，S2=25cm2，l2=15cm，l3=2cm，空气隙厚度=0.1cm。现要产生=2.810-3Wb的磁通量，若用直流励磁，求所需要的磁动势F。解：解：第一步：由磁通量求出各段磁路中的磁感应强度。第二步：根据B1、B2值，查铸钢的磁化曲线，找出对应的磁场强度H1、H2，得H1=2.1103A/m H2=1.1103A/m 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器空气隙的磁场强度H0可计算为第三步：计算各段的磁压降 H1l1=2.1103A/m0.45m=0.945103AH2l2=1.1103A/m0.15m=0.165103A2H2l3=21.1103A/m0.02m=0.044103A2H0=211.14105A/m0.001m=2.228103A第四步：求出总的磁动势 F=NI=Hl=H1l1+H2l2+2H2l3+2H0 =（0.945+0.165+0.044+2.228）103 =3.382103A从上述结果可以看出，空气隙尽管很小，但由于空气的导磁率很低，磁阻很大，所以这段的磁压降很大。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器7.4 7.4 铁铁 心心 线线 圈圈一、直流铁心线圈一、直流铁心线圈直流铁心线圈的特点:（R 为线圈的电阻）衔铁吸合前、后的两个稳定运行状态(不考虑衔铁吸合过程)，励磁电流不会发生变化，即磁路的改变对直流铁心线圈的励磁电流没有影响。注意 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器二、交流铁心线圈二、交流铁心线圈1 1、电磁关系电磁关系 （主磁通）线圈铁心i（漏磁通）江苏大学电工电子教研室磁路与变压器2 2、伏安关系伏安关系 根据基尔霍夫电压定律，得铁心线圈电路的电压方程为：线圈内阻R很小很小则由电磁关系有：设：江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 这是一个重要常用公式，它表明当线圈匝数N及电源频率f一定时，主磁通的大小正比于外加电压的有效值U。根据上式有：注意 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器3 3、功率损耗、功率损耗总损耗铜耗（铁耗）磁滞损耗涡流损耗（1）铜耗励磁线圈的铜线电阻 上的功率损耗 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器（2）铁耗 交变的磁通在铁心中产生的功率损耗称为铁耗，包括磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗磁滞损耗是由磁滞现象引起。（S为磁滞回线包围的面积）为减小磁滞损耗对铁心发热的影响，常选用磁滞回线狭小的软磁性材料硅钢制造变压器和交流电机中的铁心。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 涡流损耗 涡流损耗会引起铁心发热，为减小涡流损耗，常用的方法有两种：a.铁心采用彼此绝缘的硅钢片叠成，如图所示。b.采用电阻率高的铁心，例如硅钢、铁氧体等。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器思考 1.如果交流铁心线圈的铁心由彼此绝缘的硅钢片在垂直于磁场方向叠成，这样做是否可以，为什么？2.铁心线圈中通过直流电，是否有铁损，为什么？江苏大学电工电子教研室磁路与变压器7.5 7.5 变变 压压 器器 变压器是利用电磁感应作用传递交流电能和交流信号，广泛应用于电力系统和电子电路中，具有变换电压、变换电流和变换阻抗三大功能。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器一、变压器的构造及分类一、变压器的构造及分类变压器的符号变压器的构造一次一次绕组绕组二次二次绕组绕组铁心铁心N1N2电源侧电源侧负载侧负载侧1.变压器的构造变压器的构造 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器变压器分类变压器分类按用途按用途按用途按用途按相数按相数按相数按相数单相变压器单相变压器单相变压器单相变压器三相变压器三相变压器三相变压器三相变压器按制造方式按制造方式按制造方式按制造方式壳式变压器壳式变压器壳式变压器壳式变压器心式变压器心式变压器心式变压器心式变压器电力变压器电力变压器电力变压器电力变压器 (输配电用输配电用输配电用输配电用)仪用变压器仪用变压器仪用变压器仪用变压器整流变压器整流变压器整流变压器整流变压器2.变压器的分类变压器的分类 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三相变压器 单相变压器 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三相自耦变压器环形变压器 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三相干式变压器 油浸式变压器 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 发电厂发电厂1.05万伏万伏输电线输电线22万伏万伏升压升压变电站变电站1万伏万伏降压降压 变压器应用举例降压降压实验室实验室380/220伏伏降压降压仪器仪器36伏伏降压降压 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器二、变压器的工作原理二、变压器的工作原理（1）变压器的空载运行 根据KVL有：原边：副边：很小很小 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器设铁心内的主磁通为：，则根据上面的KVL方程，一次侧电压与二次侧电压之比为 变比K1 降压K1 升压 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器（2）变压器的有载运行 根据KVL有：原边：副边：很小忽略其中：漏感电动势漏感抗 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器同样，设铁心内的主磁通为：，则根据上面的KVL方程，一次侧电压与二次侧电压之比为 思考 变压器在空载运行和负载运行两种情况下，铁心中的磁通分别由什么产生？江苏大学电工电子教研室磁路与变压器三、变压器的三大功能三、变压器的三大功能1.电压变换2.电流变换磁动势平衡方程根据变压器的工作原理，有（负载运行时）（空载运行时）根据变压器的工作原理，有变(压)比变流比 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器3.阻抗变换 可见，变压器具有阻抗变换作用。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 例题例题 设交流信号源电压内阻负载(1)将负载直接接至信号源，负载获得多大功率？(2)经变压器进行阻抗匹配，求负载获得的最大功率是多少？变压器变比是多少？+-选择变压器合适的匝数比，可把负载阻抗变换为合适的数值，以使其得到最大的功率。这种做法称为阻抗匹配阻抗匹配。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器变压器变比为：21=NNK(1)负载直接接信号源时，负载获得功率为解解：82=LR+LRoRU2=LRIP2=800+81000.123(W)(2)根据最大功率传输定律，要负载获得最大功率，必须使外接等效负载电阻等于信号源的内阻，即 负载上获得的最大功率为 3.125(W)8008008001002=+=LR2LRImaxP2o+LRRU完毕完毕 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器额定额定电压电压额定额定电流电流额定额定容量容量一次额定电压一次额定电压U1N正常时一次绕组所加电压的有效值。正常时一次绕组所加电压的有效值。二次额定电压二次额定电压U2N一次电压为一次电压为U1N时，变压器空载时对应二次侧时，变压器空载时对应二次侧的空载电压有效值，即的空载电压有效值，即U20=U2N一次额定电流一次额定电流I1N一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组一次绕组加额定电压，正常工作时一次绕组允许长期通过的最大电流有效值。允许长期通过的最大电流有效值。二次额定电流二次额定电流I2N一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组一次绕组加额定电压，正常工作时二次绕组允许长期通过的最大电流有效值。允许长期通过的最大电流有效值。指二次侧的指二次侧的输出额定视在功率，输出额定视在功率，即：即：四、（四、（1 1）变压器的额定值）变压器的额定值 变压器的额定容量只反映了该变压器的额定输出能力。实际运行时，变压器输出功率的大小与负载电流及负载的功率因数 有关。注意 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器（2）变压器的外特性）变压器的外特性 外特性：实际变压器由于漏磁通和绕组电阻的存在，U2要随I2的变化而变化，它们的变化关系称为。电压变化率电压变化率 电压变化率反映电压U2的变化程度。通常希望U2的变动愈小愈好，一般变压器的电压变化率约在5%左右。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器（1）变压器的损耗）变压器的损耗（2）变压器的效率）变压器的效率一次绕组磁滞损耗涡流损耗（电路中）（总损耗）（磁路中）二次绕组（可变损耗）（不变损耗）变压器的效率为输出功率P2与输入功率P1之比，即：五、变压器的损耗及效率五、变压器的损耗及效率 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器六、变压器绕组的极性与正确连接六、变压器绕组的极性与正确连接三绕组变压器 现有一个负载的的额定电压分别为15V，副边绕组应如何连接才能满足要求？为了正确联接两个绕组，必须事先判明两个绕组的同极性端（同名端）。某三绕组变压器如图所示。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 绕组中产生的感应电动势是交变的，当一个绕组的某一端瞬时电位为正时，另一绕组中瞬时电位为正的对应端称为。判断同名极性端，可分为两种情况（1）已知绕向的绕组的极性判断 同极性端（同名端）：（a）相同绕向（b）相反绕向 若某负载额定电压为3V，问上面两种情况下副边绕组分别应如何连接？思考 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 将开关S闭合，如果S闭合瞬间电流表的指针正向偏转，则1和3是同极性端；如果电流表指针反向偏转，则1和3是异极性端。（2）未知绕向绕组的极性判断 若变压器外引出线上没有注明极性，就要用实验的方法测定绕组的极性。下面介绍常用的直流测定法。测定方法：江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 对于多绕组的单相变压器，如果需要将两个或两个以上绕组串联或并联使用时，必须注意它们的极性，以及各绕组的额定电流（串联）或额定电压（并联）。注意 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器六、其他变压器六、其他变压器1.三相变压器三相变压器 油浸式三相变压器外形结构 三相变压器原理图 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 下面是三相变压器绕组的三种连接方式(a)Y连接(b)YY0连接 其中：分子表示高压绕组的连接方式，分母表示低压绕组的连接方式。(c)Y 连接 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器2.自耦变压器自耦变压器三相自耦变压器外形图 （自耦）调压器外形图（一种可调式自耦变压器）江苏大学电工电子教研室磁路与变压器自耦变压器原理图 自耦变压器一次、二次绕组间不仅有磁的耦合，而且有电的连接。一次、二次绕组的电压和电流关系：江苏大学电工电子教研室磁路与变压器(1).电流互感器电流互感器电流互感器实物图电流互感器原理图 在使用电流互感器时，二次绕组不允许开路，这与普通变压器不同。注意3.仪用变压器仪用变压器 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器(2).电压互感器电压互感器电压互感器实物图电压互感器原理图 使用时，电压互感器的二次侧必须接地，且不能短路。注意 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器钳行表 它是一个与电流表配装在一起的、磁路可以开合的电流互感器。适用于流动作业以及要求不断开被测电路而进行电流测量的场所。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器*7.6 7.6 电电 磁磁 铁铁 电磁铁是利用通电流的线圈产生电磁吸力使衔铁运动来工作的，是自动控制系统中广泛应用的一种执行元件。按励磁电流的不同分为直流电磁铁和交流电磁铁两种。铁心铁心铁心铁心衔铁衔铁衔铁衔铁F FF F线圈线圈线圈线圈F F线圈线圈线圈线圈衔铁衔铁衔铁衔铁铁心铁心铁心铁心衔铁衔铁衔铁衔铁F F线圈线圈线圈线圈铁心铁心铁心铁心电磁铁的几种类型 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器一、直流电磁铁一、直流电磁铁电磁吸力的大小 直流电磁铁线圈的励磁电流仅与所加电压和线圈电阻有关，与衔铁的运动过程无关，电磁吸力随气隙的减小而增大。因为气隙减小，磁路的磁阻减小，由于磁通势不变，所以，磁通增大，磁感应强度亦增大，故电磁力随之增大。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器二、交流电磁铁二、交流电磁铁设磁感应强度 则 江苏大学电工电子教研室磁路与变压器 由电磁吸力的波形可见，吸力在0与Fm之间脉动。衔铁以两倍电源的频率在进行机械振动，发出噪声，同时触点容易损坏。阻尼环 为了防止振动，可在铁心的部分端面上安装阻尼环。阻尼环一般采用导电性能良好的紫铜材料，受交变磁通的感应，环中产生滞后磁通的感应电流。因此，阻尼环的磁通 与环外铁心部分中的磁通 存在一相位差，使两部分的磁通和吸力不同时为零，使总的吸力总是不为零，从而消除震动和噪声。江苏大学电工电子教研室磁路与变压器实例 图示为应用电磁铁实现制动机床或起重机电动机的基本结构，其中电动机和制动轮同轴。原理如下：M3 抱闸抱闸抱闸抱闸制动轮制动轮制动轮制动轮弹弹弹弹簧簧簧簧电电电电磁磁磁磁铁铁铁铁启动过程：启动过程：通电电磁铁动作拉开弹簧抱闸提起松开制动轮 电机转动断电电磁铁释放弹簧收缩抱闸抱紧抱紧制动轮 电机制动制动过程：制动过程：江苏大学电工电子教研室磁路与变压器